Utilisation des antennes adaptatives dans les systèmes RADAR de poursuite

Un Radar de poursuite mesure les coordonnées d’une cible et fournit des données qui peuvent être utilisées pour déterminer la trajectoire de la cible et prédire sa position future. Par ailleurs, ce système présente des limitations. Pour lutter contre ces problèmes une solution très efficace a vu le jour dans les dernières décennies qui repose sur le fait de contrôler intelligemment la transmission des données dans le domaine spatial. Plus précisément, utiliser des antennes dont le diagramme de rayonnement est contrôlé afin d’avoir le maximum du gain dans la direction du lobe principal (la cible) et réduit l’effet des multi-trajets. C’est dans ce contexte que la les techniques d’antennes intelligentes vont être utilisées. Cet article présente une vue d’ensemble sur les antennes intelligentes, et en particulier les antennes adaptatives qui se veut une solution pour pallier aux limitations de l’ancien système Radar de poursuite

Exploitation des antennes multiples pour l'optimisation dans les réseaux sans fil

Les récentes avancées dans le domaine du traitement d'antennes et dans la microélectronique ont fait naître la technologie des antennes intelligentes connue sous le nom de "smart antennas". Considérée comme rupture technologique pour les réseaux sans fil, les systèmes d'antennes intelligentes pourraient répondre aux exigences de plus en plus fortes des applications et services en termes de débit, de capacité et de connectivité. Aujourd'hui, les smart antennas sont exploitées pour développer plusieurs technologies incluant les systèmes de commutation de faisceaux, les antennes adaptatives et les systèmes MIMO (Multiple Input Multiple Output). L'utilisation des antennes MIMO a été reconnue comme une technologie-clé, capable d'accroître considérablement la capacité des réseaux sans fil en exploitant différemment et mieux le spectre radio. Elle fait partie des récents et futurs standards tels que le 3GPP-LTE et le IEEE-802.11n. Dans cette thèse, nous nous sommes intéressés à l'exploitation des techniques multi-antennes dans le contexte des réseaux mobiles. Nous nous sommes focalisés principalement sur deux axes de recherche : la formation de faisceaux et le multiplexage spatial. Dans une première étude, nous avons proposé un schéma de formation de faisceaux, basé sur la technique LCMV (Linearly Constrained Minimum Variance) et permettant de former des faisceaux plus adaptés en cas de mobilité. Dans cette solution, l'incertitude sur la localisation des nœuds est compensée par des faisceaux de largeurs adaptées. De plus, dans le cas où les paramètres (vitesse et direction) de mouvement des nœuds sont connus, nous avons proposé d'exploiter des techniques simples d'extrapolation afin de limiter les calculs complexes des méthodes de poursuite continue (tracking), très consommatrices en ressources. Dans une seconde étude, nous avons proposé une solution d'ordonnancement basée sur la technique du multiplexage spatial qui est une caractéristique fondamentale des systèmes MIMO. L'algorithme proposé (SCLS : Stream-Controlled Multiple Access) exploite les informations inter-couches (cross-layer) : environnement radio de la couche PHY et charge de trafic de la couche LIEN. Il permet de choisir l'ensemble des liens à activer simultanément et détermine sur chacun de ces liens, le nombre d'antennes à utiliser pour transmettre des flux parallèles. SCLS permet ainsi de minimiser le temps nécessaire pour satisfaire les demandes de trafic et de maximiser le débit global utilisé à chaque instant. Dans la troisième étude, nous avons considéré la problématique d'estimation des directions d'arrivée et de départ. Nous avons proposé un algorithme (E-Capon) d'estimation conjointe de ces directions ainsi que du retard de propagation des trajets multiples dans un canal MIMO. Nous nous sommes basés sur la méthode de Capon qui permet de réduire la complexité de traitement pour offrir une estimation rapide et robuste des informations relatives à la localisation des nœuds. Notre objectif est de concevoir une technique mieux adaptée aux changements dynamiques de topologie que l'on peut observer dans les réseaux sans fil.Recent advances in antennas processing and microelectronics have helped for the emergence of smart antennas and their use in public telecommunication systems. This technology allows sophisticated signal processing and provides significant performance benefits such as increased spectral efficiencies, reduced power consumption, interference cancellation, increased communication reliability and better connectivity. Smart antennas represent a broad variety of antenna technologies that significantly differ in terms of performance and transceiver complexity. The different antennas technologies include switched-beam antennas, adaptive array antennas and multiple-input multiple-output (MIMO) systems. The latter is already being implemented in latest generation equipments and standards like 3GPP-LTE and IEEE 802.11n. The focus of this thesis is to explore the various capabilities of smart antennas and to propose new mechanisms and systems for their use. In particular, we were interested in exploiting two multi-antenna systems' capabilities: spatial multiplexing and beamforming. In the first part of this thesis, we propose a new dynamic beamforming technique for mobile ad hoc networks, based on the LCMV beamformer. Mobiles nodes derive the weight vectors to form dynamic beams more adapted to their mobility parameters. The proposed scheme allows to form dynamic beams with less complexity but more adapted to possible uncertainty on mobile node locations.. Performance evaluations show that the proposed approach enhances system capacity and connectivity while reducing localization overhead and beam forming complexity. In the second part of this thesis, we design and evaluate a joint stream control and link TDMA-based scheduling algorithm (SCLS) for MIMO wireless mesh networks. SCLS is a cross layer resource allocation scheme that selects links to be activated simultaneously and determines the optimal number of streams to be used on each of them. This selection is based on streams' channel gains, traffic demands and interference levels. The proposed algorithm optimizes both the frame length and network capacity and throughput. In the third part, a joint Angle of Arrival (AOA), Angle of Departure (AOD) and Delay of Arrival algorithm, based on the Capon Beamformer, is proposed. These physical parameters of the received signals are needed to develop advanced antenna systems and other applications such as localization in indoor environments.The proposed algorithm reduces both complexity and computation time compared to subspace-based existing methods. The proposed approach works even if the number of multipaths exceeds the number of antenna elements.EVRY-INT (912282302) / SudocSudocFranceF

Conception et implémentation de nouvelles configurations de matrice de Butler en technologies planaire et conforme

Dans ce rapport, nous présentons des nouvelles configurations de matrice de Butler en technologies planaire et conforme. L'étude comporte deux volets portant respectivement sur la conception d'une matrice de Butler à large bande ayant 3 GHz de bande passante (opérant de 4.5 jusqu'à 7.5 GHz), et la conception d'une matrice de Butler conforme à 2.4 GHz. Dans un premier temps, nous présentons une étude théorique et expérimentale de deux coupleurs qui sont les composants clés de la matrice de Butler large bande. Le premier coupleur est directionnel, large bande, à couplage par fente et conçu en technologie CB-CPW, permettant d'éviter l'utilisation de croissements dans la matrice de Butler grâce à sa caractéristique multicouches. Le deuxième coupleur, étant directionnel et large bande, conçu en topologie elliptique et en technologie CBCPW, permettant ainsi de minimiser les pertes et d'assurer une bande passante plus large comparé aux coupleurs hybrides conventionnels. La matrice de Butler, ainsi conçue à base de ces deux coupleurs, offre des bonnes performances couvrant la bande de 4.5 jusqu'à 7,5 GHz. Dans l'étape suivante, nous détaillons nos travaux de recherches liés à une architecture de matrice de Butler conforme opérant à 2.4 GHz en technologie microruban. La topologie conforme à été déjà explorée avec les réseaux d'antennes de différentes formes (cylindriques, sphériques...). L'originalité de nos travaux de recherche, consiste à mettre au point tout un système d'antenne intelligente (matrice de Butler + réseau d'antennes) en topologie conforme permettant de lever le défi concernant la géométrie, ce qui facilite l'intégration du système à n'importe quel milieu de travail et évite les coûts d' installations supplémentaires. En plus avoir le système d'antenne intelligente en entier conforme (réseau d'antenne + matrice de Butler), permet d'avoir une couverture de 360° dépendamment de sa configuration. Les résultats obtenus ont montré des bonnes performances en termes de directivité et de contrôle de diagramme de rayonnement. Une étude paramétrique concernant l'effet de la courbure de la structure sur les diagramme de rayonnement a été détaillée dans la suite

Conception d'un nouveau système d'antenne réseau conforme en onde millimétrique

Le domaine des télécommunications est en perpétuelle évolution. La dynamique de développement est au besoin constant d'améliorer la flexibilité, l'ergonomie et la rapidité des transferts d'informations. Les mines souterraines sont considérées comme des environnements dangereux et agressifs. Par conséquent, les communications sans fil souterraines sont essentiels pour plusieurs raisons incluant; la sécurité, la localisation et la productivité. Le défi que pose l'environnement souterrain des mines au regard des communications sans fil est liée au fait que les galeries de mine constitue un milieu confiné complexe et diffractant, hostile à la propagation des ondes électromagnétiques. Tout ceci entraine inévitablement des réflexions multiples qui affectent considérablement le signal radio. Pour palier à ce problème, on propose d'utiliser des antennes intelligentes (faisceaux commutés) pour permettre une focalisation sur un utilisateur (mineur) donné en minimisant l'impact des trajets multiples. Dans la conception des antennes intelligentes appliquées aux systèmes miniers, il est important d'avoir des antennes ayant une configuration spéciale pour assurer un balayage de 360° afin de couvrir l'espace requis dans les galeries d'une mine. En effet, les antennes intelligentes ont le potentiel de réduire les interférences inhérentes aux multi-trajets, de rehausser le rapport signal à bruit, et d'introduire la réutilisation de fréquences dans un environnement confiné et augmentation de la capacité du système cellulaire. Récemment, les communications sans fil dans la bande millimétrique ont été utilisées à l'intérieur des tunnels souterrains. Les résultats ont montré que cette bande de fréquences est relativement moins sensible aux réflexions et aux réfractions par rapport aux bandes de fréquences basses. Par ailleurs, la bande millimétrique offre une très grande largeur de bande de fréquence. La disponibilité d'une bande de fréquence de l'ordre de 7 GHz à 60 GHz constitue une motivation évidente sur le choix de cette bande de fréquence qui se traduit par un transfert élevé de donnée de l'ordre de Gb/s. Dans la conception des antennes-réseaux intelligentes en ondes millimétriques appliquées dans les mines, il est important d'avoir des antennes ayant une configuration spéciale pour assurer un balayage à 360 degrés afin de couvrir l'espace requis dans les galeries. Pour cela, le choix des éléments d'antenne dans le réseau constitue une nécessité stratégique pour répondre aux exigences en termes de couverture. Les antennes conformes jouent un rôle considérable dans les systèmes de communications modernes puisqu'elles ont la faculté d'être compatible avec la structure porteuse, de fonctionner dans la bande millimétrique, d'avoir une bande passante plus large et de garantir une couverture de 360°. En effet, dans la littérature des antennes conformes dans la bande millimétrique, la technologie micro-ruban est largement utilisée pour concevoir les éléments d'antennes. Ces éléments d'antennes sont alimentés par une ligne micro-ruban (alimentation directe) ou par couplage via une fente. Par ailleurs, pour les antennes patch, les pertes dues à l'effet de peau dans la bande des fréquences millimétriques peuvent devenir très significatives. Récemment, les antennes à résonateurs diélectriques DRAs ont montrées leurs bonnes performances dans cette bande (millimétriques). En effet, Il n'y a pas d'éléments conducteurs sur ces antennes DRAs, et les pertes diélectriques sont beaucoup moins prononcées, permettant ainsi de résoudre le problème de l'effet de peau. En somme, les antennes (DRAs) présentent des caractéristiques très intéressantes par rapport aux antennes patch, à savoir, une taille plus réduite, une efficacité de rayonnement plus élevée, une plus grande largeur de bande et des pertes quasi-négligeables

Conception de systèmes multi-antennes multi-bandes pour terminaux mobiles LTE

Multiple antennas techniques are an interesting solution to increase throughput without increasing the bandwidth. This is an advantage in a context where the proliferation of users and services leads to a saturation of spectrum. However, the systems based on diversity raise new challenges for their integration into terminals. The work presented in this thesis is to consider jointly the performance of multi-antennas systems and integration into terminals constraints. Developed systems operate in two bands LTE: 790-862 MHz and 2.5-2.69 GHz, and cover also for some of them the upper part of the band TVWS (TVWhite Space): 700-790 MHz to provide cognitive radio applications. The first study is concentrated on designing an efficient system while maintaining a reasonable size. The proposed system is integrated into the terminals emerging in the market today such as mini-tablets, the tablet-phone hybrid or laptop. Very satisfactory performance in terms of bands and isolation are achieved. Aiming the size reduction, we propose an alternative compact system providing acceptable performances. For this purpose, three prototypes are proposed where the last could be integrated into a mobile phone. For all systems, we have evaluated the diversity performances in terms of correlation coefficient and Mean Effective Gain. It has been founded that the systems provide good diversity performances even if the terminal's position is changed during the communication. Moreover, the influence on the antennas performances with a presence of users is studied. The results show that these systems are suitable for LTE and can be used for MIMO wireless communications.Les techniques à base d’antennes multiples constituent une solution intéressante à l’augmentation du débit sans accroître la bande passante. Cependant, la conception de systèmes à base de diversité soulève de nouveaux défis quant à leur intégration au sein de terminaux à encombrement réduit. Le travail présenté consiste à prendre en compte conjointement les éléments déterminant les performances de communication multi-antennes et les contraintes d’intégration liées aux terminaux. Les systèmes développés fonctionnent dans deux bandes LTE: 790-862 MHz et 2.5-2.69 GHz; certains couvrent également la partie haute de la bande TVWS (TV White Space): 700-790 MHz afin d’offrir des applications de radio cognitive. Pour la première conception, la démarche consiste à obtenir un système performant sans rechercher, dans un premier temps une forte intégration. Néanmoins, le système proposé est intégrable dans des terminaux émergeant dans le marché actuel comme l’hybride téléphone-tablette. Des performances très satisfaisantes en termes de bandes et d’isolation sont atteintes. Ensuite, on privilégie la compacité du système tout en offrant des performances acceptables. Cette démarche permet la conception de trois prototypes, dont le dernier est intégrable dans un téléphone.D’autre part, l’influence de la présence d’un utilisateur mais également de l’intégration dans un terminal multimédia sur les performances des systèmes est étudiée. Enfin, les performances en diversité sont évaluées dans différentes configurations d’environnements. Les résultats ont montré que ces systèmes sont adaptés à la technologie LTE et offrent la possibilité d’établir des communications sans fil MIMO

Etude des Antennes à Résonateurs Diélectriques. : Application aux Réseaux de Télécommunications

A fast technological development in the telecommunications domain, as mobile telephony, wireless networks, TV over Satellite, Radar Applications (civil or military)…etc, is observed. This considerable growth has led to enormous needs and caused a major technological evolution in antennas. These have to face different needs such as gain improvement, bandwidth enlargement, and different existing problems, such as cost and overcrowding…etc. Though, our goal is to design antenna topologies that are simple, having Low overcrowding and relatively with high gain operating in multiband and/or ultra large. To achieve this we headed to Dielectric Resonator Antennas (DRA) in UHF and SHF bands. Recently they have been the subject of several studies and have gained great interest from both academic and industrial sectors. Due to their diverse and simple geometries, they can be fed with different usual techniques. Furthermore, they can be smaller than patch antennas. The first part of this work has focused on the study of cylindrical DRAs, and then a validation of the simulating tool has been done after comparison with measurement results. For a multi-standard utilization, enlargement antennas’ operating bands, to have bi-band behaviour, get a modification of the resonant frequency and also a reduction of the overcrowding, the second part is dedicated to the study of new resonator topologies based on a vertical and radial stack of two cylinders, and then a multilayer and ring topologies. The obtained results found their applications in GSM900-DCS1800-UMTS-WiFi…Un développement technologique rapide dans le domaine de télécommunication, qu'il s'agisse de la téléphonie mobile, des réseaux sans fils, de la télévision par satellites, ou des applications radar (civiles ou militaires)...etc. est observé. Cet essor considérable a engendré d'énormes besoins et entraîne une évolution technologique majeure au niveau des antennes. Ces dernières doivent faire face aux différentes exigences, à savoir l'augmentation du gain, l'élargissement de la bande passante… et aux différents problèmes existant, à savoir le coût, l’encombrement…etc. Notre objectif est donc de concevoir des topologies d’antennes simples, à faible encombrement et à gain relativement élevé avec un fonctionnement multibande et/ou ultra large bande. Pour cela nous nous sommes orientés vers des antennes à résonateur diélectrique (ARD) dans les bandes UHF et SHF. Récemment, elles ont fait l’objet de plusieurs recherches et ont acquis un grand intérêt du monde académique et industriel. Les ARDs, par leurs simples et diverses géométries, peuvent être alimentées par différentes usuelles techniques. En outre, leurs tailles peuvent être plus petites que leurs homologues à savoir les antennes imprimées. Une première partie de ce travail s’est concentré sur l’étude des ARDs de forme cylindrique, puis une validation de l’outil de simulation par comparaison avec la mesure. En vue d’une utilisation multistandards, d’un élargissement des bandes de fonctionnement ou d’une modification de la fréquence, une seconde partie a été consacrée à l’étude de nouvelles topologies de résonateurs basées sur un empilement vertical et radial de deux cylindres, une topologie en multicouche et en anneau. Les résultats obtenus trouvent leurs applications dans le GSM900-DSC1800, UMTS, WIFI

Étude d’une matrice agile rayonnante à pixels élaborés en métamatériaux maitrise de concepts, réalisation de prototypes et caractérisation

This PhD thesis is dedicated to the study and the development of a novel agile antenna system called ‘Agile Radiating Matrix with Metamaterials Pixels’. This system is formed by a planar matrix which is composed by an association of jointed electromagnetic pixels. The pixel design is inspired from the electromagnetic band gap antenna and it is surrounded by metallic walls. These pixels are fed by means of several beam forming networks.The intensive theoretical study made on the matrix antenna, showed several electromagnetic performances concerning the low mutual coupling, the great beam steering for high scanning angles and the elimination of grating lobes. Three manufactured prototypes are presented in order to experimentally validate the matrix performances and to respond to some application requirements.Ce mémoire est consacré à l’étude et au développement d’un nouveau système antennaire agile en rayonnement appelé MARPEM (Matrice Agile Rayonnante à Pixels Elaborés en Métamatériaux). Ce système est formé d’une matrice planaire formée par un agencement jointif de pixels électromagnétiques. Le concept du pixel est inspiré de l’antenne à Bande Interdite Electromagnétique et entouré par une enceinte murale. Ces pixels sont alimentés par des circuits de formation de faisceaux.Des études théoriques approfondies ont montré des performances électromagnétiques de MARPEM concernant le faible couplage mutuel, les forts pointages électroniques et l’élimination de lobes de réseau. Trois prototypes ont été étudiés et réalisés afin de valider expérimentalement les performances de MARPEM et de répondre aux exigences de différentes applications

Conception, fabrication et caractérisation d’un panneau adaptatif en composite avec actionneurs en AMF intégrés

Ce mémoire a permis de développer un outil capable de prédire la géométrie d’un panneau adaptatif qui a la capacité de changer de géométrie selon les conditions auxquelles il est soumis. Ce panneau, tel que conçu pour ce projet, est constitué de deux principaux composants : la structure hôte qui assure l’intégrité structurale du panneau ainsi que le système d’activation intégré à même la structure hôte. La structure hôte est faite d’un composite à matrice polymère (Époxy : Araldite 8605 de Huntsman) renforcé de fibres (carbone : T300 unidirectionnel de Toray). Le système d’actionnement consiste en un fil d’alliage à mémoire de forme (Ti-50.26at%Ni de SAES Getters) de 1 mm de diamètre. Afin de générer un mouvement, les actionneurs sont positionnés de sorte à créer un décalage, selon l’épaisseur, entre le plan neutre du stratifié et l’axe des actionneurs. Les alliages à mémoire de forme sont des matériaux particuliers qui ont la capacité de se contracter lorsqu’ils sont chauffés. Lors de leur chauffage par effet Joule, les actionneurs peuvent générer des forces qui sont transmises au panneau adaptatif par le biais d’un système de fixation. Un moment de flexion est ainsi généré grâce au décalage entre les actionneurs et le plan neutre du panneau, déformant ainsi le panneau adaptatif. Le fondement de l’outil de conception est basé sur la combinaison de la rigidité de la structure hôte et de la capacité d’actionnement de l’AMF. Un modèle par éléments finis développé dans le logiciel Ansys 13 permet d’obtenir la rigidité de la structure hôte en fonction des différents paramètres (orientation, nombre de couches) du stratifié qui la compose et de la position de l’actionneur (position selon l’épaisseur, espace entre deux actionneurs). Selon ce modèle, il apparaît que le rayon de courbure d’un tel panneau est constant sur toute sa longueur et que la longueur du panneau n’influence pas les résultats. De plus, les résultats montrent que la rigidité est constante peu importe la déformation axiale de l’actionneur. Fait intéressant à noter, plus la distance entre les actionneurs est grande, plus la rigidité ressentie par chacun des actionneurs est élevée. La capacité d’actionnement des AMF est évaluée de façon expérimentale. Pour débuter, il a été démontré qu’un traitement thermique de 550°C pendant une heure augmente de façon significative l’énergie produite par les actionneurs tout en modifiant leur température de transformation. Par la suite, une stabilisation de 100 cycles à 150 MPa des actionneurs permet de créer un comportement à effet mémoire de forme double sens tout en permettant de générer une contrainte suffisamment élevée. Finalement, l’enveloppe de fonctionnement de l’actionneur est créée en fonction des températures d’activation qui varient de 50°C à 150°C. Les propriétés respectives des AMF et de la structure hôte permettent ensuite de créer le diagramme de conception. Ainsi, il est possible d’exprimer le rayon de courbure (objectif) en fonction de la température d’activation et de la configuration du stratifié. Cette relation est finalement vérifiée expérimentalement. Pour ce faire, un panneau adaptatif à 4 couches [903/FIL/90] est fabriqué selon la méthode de moulage par transfert de résine sous vide et installé sur un banc d’essai conçu à cet effet. À ce sujet, divers paramètres ont été explorés lors de la fabrication afin de trouver les conditions de fabrication adéquates. Il apparaît qu’une direction d’infusion perpendiculaire à l’orientation des actionneurs offre de meilleurs résultats. De plus, l’utilisation d’une gaine permet d’éliminer les gabarits de montage qui seraient nécessaires afin de tenir les actionneurs en place lors de la mise en forme et du traitement de post-polymérisation. Les résultats montrent que, lorsque les actionneurs sont chauffés par effet Joule, le rayon de courbure mesuré se compare à ceux établis à partir de l’outil de conception. Toutefois, la température mesurée ne concorde pas avec les valeurs théoriques. Ainsi, il est nécessaire d’appliquer un facteur de correction sur la température mesurée en se basant sur les propriétés des AMF. Un tel facteur permet d’établir une correspondance entre le rayon de courbure mesuré et le rayon de courbure provenant de l’outil de conception. Ainsi, une méthode plus efficace de la mesure des températures est nécessaire